Konzepte · Graphentheorie

Netzwerkanalyse erklärt

Ein Netz von Subunternehmern und Lieferanten: Wer ist zentral, wer vermittelt zwischen Gruppen, wo kippt eine Nachricht in einen Ausbruch, und wer bestimmt am Ende, was alle glauben? Diese Linie stellt die Fragen an ein Netz, die über Wege und Flüsse hinausgehen: Was verrät die Struktur, wie breitet sich etwas auf ihr aus, und was geschieht, wenn sich die Betriebe angleichen oder umziehen? Jedes Stück misst eine bekannte Vermutung nach, statt sie vorauszusetzen, und mehrfach hält sie nicht: Die Kernzahl sagt die Ausbreitung an Modellnetzen meist nicht besser voraus als der Grad, ein Brückenknoten ist meist kein Makler, und ein statisches Aggregat überschätzt, wie weit eine Nachricht kommt.

Die Linie hat drei Stränge: Struktur (Kernzahl, Gemeinschaften, Makler, fehlende Kanten), Ausbreitung (Einfluss, Schwellen, Eindämmung, Quellensuche, Kontaktfolgen) und Anpassung (Meinungen, Übernehmen, begrenztes Vertrauen, Standortwahl). Alle Ergebnisse sind Modellbefunde über erzeugte Netze, keine Aussagen über die Wirklichkeit; Meinung und Standort sind abstrakte Einschätzungswerte und Betriebstypen, keine Bevölkerung.

In short: Interactive demos on network analysis: core decomposition, community detection, brokerage, link prediction, influence maximization, complex contagion, immunization, source detection, opinion dynamics, Schelling segregation and temporal networks.

Hintergrund zum Thema: Netzwerkdesign.

Diese Seite gehört zu Algorithmen und Verfahren erklärt. So lesen Sie sie: Das Diagramm zeigt, wie die Stücke zusammenhängen. Jede Kachel darunter öffnet eine interaktive Demo, wo es eine gibt, mit einer Erklärseite für Einsteiger und Fachleute. Auf der Suche nach einer Lösung für ein konkretes Problem? Zu den Interaktiven Demos.

Hinweis: Alle Demos rechnen mit synthetischen oder frei verfügbaren Beispieldaten und laufen auf einem externen Anbieter (Datenschutz). Bitte geben Sie darin keine vertraulichen oder personenbezogenen Daten ein. Die Ergebnisse gelten für die jeweilige Demo-Instanz und lassen sich nicht ungeprüft auf reale Fälle übertragen; für darauf gestützte Entscheidungen übernehme ich keine Gewähr.

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Zum Nachlesen: erst einfach, dann fachlich

MILDE VORLIEBE

Schelling-Segregation verständlich erklärt

Warum schon eine milde Vorliebe einzelner Betriebe für gleichartige Nachbarn ein Gewerbegebiet stark entmischen kann und wann die Umzüge nicht zur Ruhe kommen: erst für Einsteiger ohne Formeln, dann für Fachleute mit Modell, Formeln und Messwerten.

Die 13 Stücke im Überblick

Die Linie hat drei Stränge. Im Struktur-Strang stehen drei Wurzeln: die Kernzahl, das Blockmodell (die Fortsetzung der Leiden-Demo) und die strukturellen Löcher (die Lesart der Brücken); die Link-Prediction führt Blockmodell und Löcher zusammen.

Der Ausbreitungs-Strang beginnt mit der Einflussmaximierung. Die komplexe Ansteckung ergänzt die Schwelle, die Eindämmung kehrt das Ziel um, die Quellensuche die Richtung, und die zeitlichen Netze legen die Zeit in das Netz. Der Anpassungs-Strang beginnt mit der Meinungsbildung (Mitteln); daneben stehen das Voter-Modell (Übernehmen) und das begrenzte Vertrauen (nur nahe Meinungen), und die Schelling-Demo lässt die Betriebe ihren Standort wechseln.

Die Kästen sind klickbar und öffnen die jeweilige Demo direkt.

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k-Core Kernzahl und Schälen Einflussmaximierung wen informiert man zuerst? KERNZAHL ALS AUSWAHLREGEL Blockmodell wann ist eine Gemeinschaft real? Link-Prediction wie viel verrät die Struktur? GEMEINSCHAFT ALS HINWEIS Komplexe Ansteckung wann reicht ein Kontakt? GEMEINSCHAFTEN BREMSEN Meinungsbildung wer bestimmt das Ergebnis? VERBÜNDE ALS ENGPASS Begrenztes Vertrauen Lager und Splitter VERBÜNDE HALTEN LAGER Schelling-Segregation Standortwahl im Gewerbegebiet MODULARITÄT DER TYPEN Strukturelle Löcher Makler oder Hub? GEMEINSAME NACHBARN BREITE DER BRÜCKEN EIN KONTAKT GENÜGT NICHT Eindämmung wie viel Wissen braucht man? DASSELBE WÄHLEN, ANDERES ZIEL Quellensuche wo hat der Befall angefangen? VORWÄRTS GEGEN RÜCKWÄRTS Zeitliche Netze die Reihenfolge der Kontakte DIE ZEIT FEHLT IM NETZ GEGENMASSNAHME WER KENNT DEN URSPRUNG Voter-Modell wer gewinnt? ÜBERNEHMEN STATT MITTELN KONSENS IST NICHT SICHER DAS NETZ BLEIBT FEST Leiden Modularität optimieren MODULARITÄT ZEIGT KEINE GEMEINSCHAFT Brücken was fällt auseinander SOZIALE LESART DER BRÜCKEN Zentralität Grad bis PageRank MASSE ALS AUSWAHLREGEL GEWICHT DES HUBS Kaskaden und Ausbreitung SIR und Schwelle AUSBREITUNG BERECHNEN Zeitabhängiges Routing die Uhrzeit ändert die Route UHRZEIT GEGEN KONTAKTFOLGE
  • behebt eine Schwäche des Vorgängers oder baut darauf auf
  • Gegenstück: derselbe Zweck, andere Bauweise (kein Fix)
  • übernimmt nur eine Idee
  • Zusammenfluss mehrerer Stränge
  • Baustein aus einer anderen Linie

Der gestrichelte Doppelpfeil ist ein Kontrast (gleiche Aufgabe, anderes Ziel oder andere Regel), gepunktete Pfeile übernehmen nur eine Idee, graue gestrichelte Knoten sind Bausteine aus anderen Linien. Die Stücke lassen sich in beliebiger Reihenfolge lesen, ein Pfeil ist keine vorgeschriebene Reihenfolge.

Verwandt in anderen Linien

DIE WURZEL: KERNZAHL

k-Core: Kernzahl und Schälen

Verfolgen Sie, wie man ein Netz schält: Wer weniger als k Partner hat, scheidet aus; die Kernzahl eines Betriebs ist die letzte Runde, die er übersteht. Die Demo schält erzeugte Netze und das Link-Netz dieser Website. Der Haken: Dass die Kernzahl die Ausbreitung besser vorhersagt als der Grad, gilt in Modellnetzen kaum; nur im gebauten Hubs-Netz liegt sie vorn, sonst gewinnen Grad, Nähe oder Betweenness.

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ECHTE GEMEINSCHAFT

Blockmodell: wann ist eine Gemeinschaft real?

Sehen Sie, wann hinter einer Aufteilung des Netzes eine echte Gemeinschaft steckt: Die Modularität tritt gegen ein Blockmodell mit Belief Propagation an, gemessen an einer geplanten Einteilung. Der Haken: Unterhalb der Erkennbarkeitsgrenze ist theoretisch nichts zu finden, und die beste Zerlegung erreicht bei 600 Knoten und mittlerem Grad 3 im Median 0,64 Modularität ohne Gemeinschaft.

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MAKLER ODER HUB

Strukturelle Löcher: ist ein Makler mehr als ein Hub?

Verfolgen Sie, wer in einem Netz zwischen Gruppen vermittelt, die einander sonst nicht kennen, und rechnen Sie Burts Constraint am Ego-Netz Schritt für Schritt nach. Die Demo stellt es Grad, Betweenness und Brücken gegenüber. Der Haken: In den meisten Modellnetzen ist das Constraint fast ein Gradmaß, und bei Grad 3 führen die meisten Brücken nur zu Blättern; den Makler im Handbeispiel findet die Betweenness.

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WAS EIN GÜTEWERT HEISST

Link-Prediction: wie viel verrät die Struktur?

Sehen Sie, wie gut Nähemaße versteckte Verbindungen wiederfinden und wie sehr das Ergebnis am Protokoll hängt: leichte oder schwere Negativbeispiele, Zufalls- oder Zeitaufteilung. Der Haken: Dieselben Maße erreichen je nach Netz und Protokoll 0,05 bis 0,96; im Gitter ohne Dreiecke hat Katz AUC 0,95 und Precision@k 0,000, weil rund 800 Nichtkanten davor stehen.

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WEN ZUERST INFORMIEREN

Einflussmaximierung: wen informiert man zuerst?

Verfolgen Sie, wen man zuerst informiert, damit eine Nachricht möglichst viele Betriebe erreicht: Greedy zählt die Überlappung der Reichweiten mit, einfache Regeln wählen Knoten mit überlappender Reichweite. Die Demo stellt Greedy den einfachen Auswahlregeln gegenüber. Der Haken: Bei zehn Startern und 15 % Ausbreitung liegt die Gradregel nur in 3 von 7 Netztypen bei mindestens 95 % von Greedy; die Nähe fällt im Gitter und im Ring weit zurück.

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WANN REICHT EIN KONTAKT

Komplexe Ansteckung: wann reicht ein Kontakt?

Sehen Sie, wann ein einziger Kontakt nicht genügt: Ein Betrieb übernimmt ein Verfahren erst, wenn mindestens r seiner Partner es getan haben. Die Demo stellt diese Schwelle der einfachen Ansteckung gegenüber. Der Haken: Es zählt die Breite der Verbindungen, nicht die Kantenzahl; Abkürzungen im Ring helfen zunächst, füllen bei r gleich 2 und 30 % das Netz nur in 42,5 % der Läufe.

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WIE VIEL WISSEN

Eindämmung: wie viel Wissen braucht man?

Verfolgen Sie, wie viel Wissen über das Netz eine Impfstrategie braucht, bevor ein Befall ausbricht: Zufall, zufällige Bekannte, Partner mit den meisten Partnern oder der höchste Grad. Der Haken: Wissen lohnt am stärksten bei stark schwankendem Grad (skalenfrei, 10 % Impfanteil, Ausbreitungsstärke 30 %: 1,1 % statt 20,8 % Ausbruchsgröße); im Gitter ist die Betweenness bei 250 Betrieben schlechter als Zufall.

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WO HAT ES ANGEFANGEN

Quellensuche: wo hat der Befall angefangen?

Sehen Sie, ob man aus der Menge der Befallenen die Quelle erraten kann: Rumor Centrality, Distanzzentralität, Jordan-Zentrum und Zufall treten an. Der Haken ist ein Grenzenbefund: Auf der Linie fällt die Trefferquote der Rumor Centrality von 25,7 % bei 10 auf 6,2 % bei 200 Befallenen, und im Zufallsnetz mit 250 Knoten sinkt sie mit mehr Befallenen.

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WER BESTIMMT

Meinungsbildung: wer bestimmt das Ergebnis?

Verfolgen Sie, wo ein Netz landet, wenn jeder Betrieb seine Einschätzung mit der seiner Partner mittelt, und wer den Wert bestimmt: Der Konsens ist ein mit dem Grad gewichteter Mittelwert. Verglichen wird DeGroot mit Sturheit. Der Haken: Im Potenzgesetz-Netz zählt der Konsens je nach Netz wie 50 bis 130 unabhängige Köpfe, und 5 % Sturheit lassen 7 bis 13 % der Streuung stehen.

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WER GEWINNT

Voter-Modell: wer gewinnt?

Sehen Sie, wer gewinnt, wenn Betriebe nicht mitteln, sondern das Verfahren eines zufälligen Partners übernehmen: Das Netz endet sicher im Konsens, der Gewinner ist ein Zufallsergebnis mit bekannten Chancen. Der Haken: Die Aktualisierungsregel ändert die Gewinnchance. Beginnen nur die zehn Hubs mit dem neuen Verfahren, gewinnt es im Potenzgesetz-Netz mit 32,6 % (Knotenregel), aber mit 2,6 % (Invasionsregel).

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LAGER UND SPLITTER

Begrenztes Vertrauen: Lager und Splitter

Verfolgen Sie, wie viele Lager bleiben, wenn Betriebe nur auf Partner mit ähnlicher Meinung hören. Im vollständigen Graphen ist die Lagerzahl im Median eine Treppe im Radius. Der Haken: Im dünnen Netz bleiben bei kleinem Radius fast nur Splitter, ab ε ≈ 0,2 ein großer Block; die Reihenfolge der Meinungen bleibt nur im vollständigen Graphen erhalten, und der Konsens kehrt bei sinkendem Radius im Beispiel mit gleichabständigem Start zurück.

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ENTMISCHUNG

Schelling-Segregation: Standortwahl im Gewerbegebiet

Sehen Sie, wie stark ein Gewerbegebiet entmischt, wenn jeder Betrieb mindestens 30 % gleichartige Nachbarn will: Im Gitter mit 90 % belegten Flächen steigt ihr Anteil von 49,7 % auf 75,6 %. Der Haken: Ob die Umzüge zur Ruhe kommen, hängt an der Zugregel; wer nur auf zufriedenstellende Flächen zieht, blockiert bei hoher Schwelle, wer auf beliebige freie Flächen zieht, endet bei 70 % noch, nach sehr vielen Zügen.

Verständlich erklärt: erst für Einsteiger, dann für Fachleute

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DIE REIHENFOLGE

Zeitliche Netze: die Reihenfolge der Kontakte

Verfolgen Sie, wie weit eine Nachricht kommt, wenn Verbindungen nur zeitweise da sind und nur Kontakte mit wachsender Zeitmarke zählen. Der Haken: Im Zufallsnetz hängt das Aggregat aller Kontakte zu 96,1 % zusammen, doch bei einem Kontakt je Verbindung erreicht ein Betrieb nur etwa 18 bis 19 %; bei SI-Ausbreitung und vier Kontakten je Verbindung sagt die Aggregat-Rechnung um 89 % voraus, die Kontaktfolge schafft nur etwa ein Fünftel.

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Welches Stück passt zu meiner Frage?

Ein Entscheidungsbaum über alle dreizehn Stücke, entlang der Frage, was man über das Netz wissen will: welche Betriebe im Kern liegen, ob eine Gemeinschaft real ist, wer vermittelt, welche Verbindungen fehlen, wie sich etwas ausbreitet oder wie sich die Betriebe angleichen.

Welches Stück passt zu meiner Frage?

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Was möchten Sie über das Netz wissen? Was ist die Aufgabe bei der Ausbreitung? WIE BREITET SICH ETWAS AUS Was tun die Betriebe? WIE GLEICHEN SICH BETRIEBE AN k-Core Kernzahl und Schälen WELCHE BETRIEBE LIEGEN IM KERN Blockmodell ist die Gemeinschaft real? IST EINE GEMEINSCHAFT REAL Strukturelle Löcher Makler oder Hub WER VERMITTELT Link-Prediction fehlende Verbindungen WELCHE VERBINDUNGEN FEHLEN Einflussmaximierung Starter wählen WEN ZUERST INFORMIEREN Komplexe Ansteckung Schwelle statt Wahrscheinlichkeit EIN KONTAKT GENÜGT NICHT Eindämmung impfen mit wenig Wissen WEN IMPFEN Quellensuche Ursprung erraten WO HAT ES ANGEFANGEN Zeitliche Netze Kontakte mit Reihenfolge KONTAKTE HABEN EINE REIHENFOLGE Meinungsbildung Mitteln, Konsens und Sturheit EINSCHÄTZUNG MITTELN Voter-Modell Übernehmen, wer gewinnt VERFAHREN ÜBERNEHMEN Begrenztes Vertrauen Lager und Splitter NUR NAHE MEINUNGEN ZÄHLEN Schelling-Segregation Standort wechseln STANDORT WECHSELN

Beige Kästen sind Fragen (nicht klickbar), weiße Kästen sind Ergebnisse (klickbar, sie öffnen die jeweilige Demo). Was der Baum nicht zeigt: Die Antworten gelten für die erzeugten Netze, das Link-Netz dieser Website und die Modellannahmen der Demos, nicht für jedes Netz. Dass die Kernzahl die Ausbreitung besser vorhersagt als der Grad, bestätigt sich an diesen Modellnetzen nur teilweise (Stück 1), und die Aggregat-Rechnung für die Ausbreitung überschätzt, wenn die Reihenfolge der Kontakte zählt (Stück 13).

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Wie findet man die beste Route? Zwölf Verfahren von der Breitensuche bis zur Fahrplanauskunft, jedes mit seiner gemessenen Grenze.

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Wie verbindet man alle Standorte mit möglichst wenig Leitung? Elf Stücke vom billigsten Baum über Richtung, Kapazität und Zwischenknoten bis zum Zufallsbaum.

Netzwerkfluss

Wie viel geht durch ein Netz, was kostet es, und was ändert sich, wenn Güter sich Kanten teilen, der Ausbau selbst Entscheidung ist oder die Zeit mitzählt? Neunzehn Stücke von Edmonds-Karp bis zum Fluss über die Zeit.

Schnitte und Zusammenhang

Wie robust hängt ein Netz zusammen, und wie teilt man es in Teile? Acht Stücke über Engstellen, kleinste Schnitte, getrennte Terminals, fehlende Leitungen, ausgewogene Hälften und zusammenhängende Gebiete.

Matching-Algorithmen

Wer wird womit gepaart? 13 Verfahren von der billigsten Kante zuerst bis zum Nierentausch unter medizinischen Zwängen, jedes mit seiner gemessenen Grenze.

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